裂隙性隧道圍巖滯后性破裂及涌水突泥機(jī)理研究結(jié)題摘要

1.項(xiàng)目背景：隧道修建中常遇到涌水突泥災(zāi)害，目前對(duì)非揭穿型裂隙圍巖滯后性破裂及其引起的涌水突泥機(jī)理和形成條件未給予足夠重視，導(dǎo)致許多隧道出現(xiàn)開挖掌子面后方發(fā)生較大規(guī)模的涌水突泥工程事故，造成了眾多人員傷亡和巨大財(cái)產(chǎn)損失。為此,申請(qǐng)面上基金項(xiàng)目“裂隙性隧道圍巖滯后性破裂及涌水突泥機(jī)理研究”，開展相關(guān)問(wèn)題的研究并得到基金委批準(zhǔn)。 2.主要研究?jī)?nèi)容：（1）依托隧道區(qū)天然地應(yīng)力及圍巖應(yīng)力分布和隧道圍巖巖石力學(xué)特性及巖體結(jié)構(gòu)；（2）隧道區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征及水文地質(zhì)特征；（3）隧道圍巖巖體力學(xué)特性與巖體水力學(xué)結(jié)構(gòu)模型；（4）圍巖結(jié)構(gòu)性時(shí)效變形和破裂與涌水突泥機(jī)制。 3.重要成果：（1）理論與方法成果：1）小曲率或直邊隧道圍巖變形破裂逐漸向板裂化發(fā)展，形成的定向裂隙孔隙率逐漸變大；2）地下泥水逐漸向變大的定向裂隙聚集形成地下泥水壓力并逐漸增大；3)板裂化圍巖在軸向圍巖應(yīng)力和橫向地下泥水壓力作用下產(chǎn)生時(shí)效彎曲變形破裂，達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)突發(fā)脆斷，泥水突然噴涌而出形成災(zāi)害；4)在板裂化圍巖時(shí)效彎曲變形過(guò)程中如有爆破等動(dòng)力觸發(fā)，板裂化圍巖將會(huì)提前突然破裂引起涌水突泥；5）建立了圍巖板裂概化模型，推導(dǎo)了變長(zhǎng)度、厚度及地下泥水壓力下的兩端固定，軸向圍巖壓應(yīng)力和橫向地下泥水壓力作用下的板彎曲時(shí)效變形破裂理論公式，建立了突發(fā)破裂判據(jù)，并得到原樣小模型、相似材料模型及數(shù)值模型分析結(jié)果初步驗(yàn)證。（2）論文成果：發(fā)表論文46篇，其中期刊論文45篇，會(huì)議論文1篇；檢索論文SCI論文3篇，EI論文10篇，北大中文核心期刊論文37篇；另有2篇錄用待刊。（3）專利成果：發(fā)明專利2項(xiàng)，新型專利4項(xiàng)。（4）出站博士后1名;畢業(yè)博士2名，即將畢業(yè)3名；畢業(yè)碩士17名，即將畢業(yè)2名。 4.關(guān)鍵數(shù)據(jù)及其科學(xué)意義：板裂化圍巖破裂深度是隧道小曲率或直邊墻長(zhǎng)度的0.4-0.5倍，這對(duì)裂隙性圍巖變形破裂及涌水突泥機(jī)理認(rèn)識(shí)及引起的工程災(zāi)害評(píng)價(jià)防治具有科學(xué)意義。 2100433B

隧道開挖成洞一段時(shí)間之后，圍巖出現(xiàn)突發(fā)式滯后性破裂而引起圍巖涌水突泥的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，造成過(guò)巨大的傷亡和損失。目前對(duì)隧道圍巖揭穿性涌水突泥現(xiàn)象研究較多，對(duì)圍巖特別是裂隙性圍巖滯后性破裂引發(fā)涌水突泥現(xiàn)象研究很少。本項(xiàng)目擬在廣泛收集水利水電、交通和礦業(yè)等領(lǐng)域研究資料基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與測(cè)試、水文與工程地質(zhì)分析、巖石力學(xué)試驗(yàn)、物理及數(shù)值模擬和巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)分析等方法，以典型隧道工程及其監(jiān)測(cè)資料為基礎(chǔ)，就高地應(yīng)力、高地下水壓力和爆破擾動(dòng)作用下，裂隙性隧道圍巖滯后性破裂和涌水突泥機(jī)理進(jìn)行研究; 探索高地應(yīng)力、高地下水壓力和爆破擾動(dòng)作用下，典型隧道圍巖巖性及結(jié)構(gòu)、隧道形態(tài)及尺寸與裂隙性圍巖滯后性破裂特征之間的關(guān)系，揭示裂隙性圍巖滯后性破裂和涌水突泥機(jī)理，為建立基于高地應(yīng)力、高地下水壓力和爆破擾動(dòng)作用下，裂隙性隧道圍巖滯后性破裂判據(jù)和涌水突泥危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)理論和方法奠定基礎(chǔ)。

《富水邊坡注漿帷幕破裂機(jī)理及穩(wěn)定性研究》以司家營(yíng)研山鐵礦復(fù)雜條件邊坡帷幕注漿為工程背景，基于聲發(fā)射三維定位技術(shù)研究了帷幕體試件在不同應(yīng)力條件下裂隙的空間分布與演化特征；采用分形幾何理論分析了裂隙空間分維演化特征，揭示了帷幕體破裂演化非線性機(jī)理：采用數(shù)值模擬方法研究了地應(yīng)力與滲流應(yīng)力耦合作用下的帷幕及邊坡穩(wěn)定性。提出了邊坡安全與帷幕注漿參數(shù)；開展了帷幕注漿堵水技術(shù)研究并分析了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果。

《富水邊坡注漿帷幕破裂機(jī)理及穩(wěn)定性研究》適合從事金屬礦露天開采及帷幕注漿研究的科研人員、工程技術(shù)人員使用．也可供高等院校有關(guān)師生參考。

施工過(guò)程中突涌水事故和運(yùn)營(yíng)期間排水量的控制是鉆爆法修建海底隧道的核心問(wèn)題，而且在不良地質(zhì)段的表現(xiàn)尤為突出。為此本課題從水環(huán)境下的隧道圍巖穩(wěn)定性出發(fā)，研究受隧道施工影響的圍巖變形機(jī)理及其傳播規(guī)律，揭示隧道圍巖及上覆地層的分區(qū)破壞特征；針對(duì)不同的地層條件和隧道圍巖變形特點(diǎn)，建立圍巖失穩(wěn)機(jī)理力學(xué)模型，給出相應(yīng)的破壞判據(jù)；基于隧道圍巖變形及破壞特點(diǎn)，提出海底隧道施工過(guò)程中的突水模式，建立突水危險(xiǎn)性與圍巖變形的動(dòng)態(tài)關(guān)系，揭示出典型災(zāi)害的演化機(jī)理，由此形成安全事故與災(zāi)害預(yù)測(cè)方法；從海底隧道工程安全的本質(zhì)特征出發(fā)，提出了圍巖穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)、控制標(biāo)準(zhǔn)以及對(duì)地層加固的穩(wěn)定性要求，由此確定出隧道圍巖加固圈的厚度和密實(shí)度等指標(biāo)要求；針對(duì)加固體的變形特性和突水機(jī)制，建立起動(dòng)態(tài)調(diào)控和精細(xì)化過(guò)程控制系統(tǒng)理論；鑒于海底隧道圍巖穩(wěn)定性的特殊要求，在圍巖與初期支護(hù)結(jié)構(gòu)耦合作用分析的基礎(chǔ)上，建立海底隧道滲流量預(yù)測(cè)模型。

從水環(huán)境下隧道圍巖的穩(wěn)定性出發(fā)，以圍巖的變形為核心研究受隧道施工影響的圍巖變形機(jī)理及其傳播規(guī)律，建立圍巖失穩(wěn)機(jī)理力學(xué)模型同時(shí)給出破壞判據(jù)，同時(shí)對(duì)圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)；基于隧道圍巖的變形及破壞特征，提出3種海底隧道施工下典型的突水模式，建立突水危險(xiǎn)性與圍巖變形的動(dòng)態(tài)關(guān)系，揭示出典型災(zāi)害的演化機(jī)理，形成3種災(zāi)害預(yù)測(cè)方法；從海底隧道的安全施工出發(fā)，提出圍巖穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)及相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)，由此確定隧道圍巖加固圈的合理厚度及合理的頂板厚度等施工指標(biāo)，針對(duì)加固體的變形特點(diǎn)及突水機(jī)理，建立動(dòng)態(tài)調(diào)控和精細(xì)化過(guò)程控制系統(tǒng)理論；鑒于海底隧道圍巖穩(wěn)定性的特殊要求，基于復(fù)合式襯砌的理念，在圍巖與初期支護(hù)結(jié)構(gòu)耦合作用分析的基礎(chǔ)上，建立海底隧道滲流量的預(yù)測(cè)模型。 2100433B